WO2022148935A1 - Dispositif d'impression tridimensionnelle à température stabilisée de la tête d'impression - Google Patents

Dispositif d'impression tridimensionnelle à température stabilisée de la tête d'impression Download PDF

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WO2022148935A1
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print head
temperature
gaseous fluid
nozzle
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PCT/FR2022/050041
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François MIGEOT
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Epeire3D
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the field of three-dimensional printing, also called additive manufacturing.
  • the present invention relates more particularly to a three-dimensional printing device making it possible to stabilize the internal temperature of the print head and the external temperature at the nozzle outlet.
  • the invention also relates to a three-dimensional printing machine comprising such a printing device.
  • three-dimensional printing device within the meaning of the present invention, is meant throughout the following description a device comprising a set of means allowing the conveyance and/or the generation of molten material to a nozzle ejecting the material in fusion, for example from a tank or a hopper containing the material to be printed.
  • Such a device comprises for example a heating extraction system comprising a conduit for conveying material connected to the reservoir or to the hopper, a member for moving the material in the conveying conduit, for example an extraction screw, a member for heating the material to bring it to fusion and a printing head provided with the nozzle.
  • a heating extraction system comprising a conduit for conveying material connected to the reservoir or to the hopper, a member for moving the material in the conveying conduit, for example an extraction screw, a member for heating the material to bring it to fusion and a printing head provided with the nozzle.
  • the present invention will thus find many advantageous applications in the field of three-dimensional printing, and in particular in the printing of parts based on materials requiring precise temperature control.
  • the plurality of materials that can be used including resin, thermoplastics, wax, metal (for example aluminum, steel, titanium, platinum, etc.), plaster, ceramics or even glass, participate in the variety of achievable objects.
  • the parts are made by stacking successive layers of material in fusion and progressive cooling.
  • it is known to employ three-dimensional printing installations or machines comprising a platen and a printhead fitted with a nozzle, the printhead and/or the platen being capable of moving relative to each other in order to deposit layers or strata on the plate a trickle of molten material extracted from the nozzle.
  • three-dimensional printing processes must take into account the cooling rate of the molten material and the change in its physical properties. These parameters may vary not only depending on the material selected but also during printing via changes in external conditions and/or the constant heat input resulting from the supply of molten material.
  • the present invention aims to improve the current situation described above.
  • the present invention aims more particularly to remedy the above drawbacks by proposing a printing device having better thermal inertia.
  • the object of the invention relates in a first aspect to a three-dimensional printing device comprising a printing head provided with a nozzle through which a stream of molten material emerges. It is understood here that the net of material is usually deposited vertically, being subject to gravity. It is also possible to conceive of a stream of material being deposited along another trajectory by ejection at a certain speed along a predetermined direction.
  • the printing device may comprise a variety of means allowing the supply of molten material to the print head. Such means will be described in more detail below.
  • the device comprises a thermal insulation system for the print head.
  • the thermal insulation of the print head makes it possible to limit any form of heat exchange between the print head and its external environment and to assist a variety of temperature regulations at the time.
  • the print head being able to constitute a hot block comprising a channel of material whose objective is to preserve said material at a given temperature to maintain it in fusion
  • the thermal insulation makes it possible to avoid the loss of heat from the hot block and therefore of the material channel while limiting the heating of the environment of the print head, this environment being able to be according to the design the environment of three-dimensional printing in general, which must be controlled for the cooling of the part, or any form of cooling or temperature control system near the print head and in particular near the nozzle outlet.
  • thermal insulation system makes it possible to increase the thermal inertia of the hot block and to limit any interaction with potentially variable external conditions.
  • the thermal insulation system comprises at least one envelope at least partially surrounding the print head.
  • the casing consists of a metal wall, preferably of refractory materials such as 304 stainless steel.
  • the casing makes it possible in the first place to limit the heat exchanges by convection and/or radiation towards the print head by breaking any flow of gas and by serving as an intermediary for the radiation. Since this objective can be accomplished by a thin thickness of non-insulating material, a variety of materials can be selected to make the envelope, including a material that is robust, simple to work with and economical for simplify the design of the device. It is of course also possible to design an envelope made of an insulating material, for example ceramic, the thickness of the envelope then being determined so as to take advantage of limited conduction effects inside the insulating material.
  • the envelope partially surrounds the print head so as to limit heat exchange while allowing the deposit of a stream of molten material.
  • the thermal insulation system comprises at least one layer of at least one insulating material at least partially surrounding the printhead.
  • the layer of insulating material can replace the envelope among a selection of a variety of means of thermal insulation or in addition taking advantage of the specific characteristics of the envelope and the layer. It is also possible for the envelope and the layer to be embodied by a single piece made of an insulating material and fulfilling both functions.
  • the at least one insulating material is a mineral fiber selected from a set of mineral fibers comprising:
  • insulating materials are also possible such as organic aerogels, metal box elements (aluminum honeycomb structure), metal or organic foams.
  • the layer of insulating material makes it possible to occupy the environment of the print head while minimizing the effects of thermal conduction.
  • any form of insulating material and in particular mineral fiber can be selected, mainly on criteria of thermal conductivity and simplicity of implementation.
  • the envelope is arranged around the at least one layer of insulating material.
  • this design makes it possible to take advantage on the one hand of the envelope making it possible to reduce the effects of convection and radiation, on the other hand of the layer of insulating material having a thermal resistance. high with respect to conduction effects. It is additionally understood that the casing made of a rigid material makes it possible to define a volume for receiving the layer of insulating material, in particular a non-rigid and/or expansive insulating material.
  • the envelope has an upper portion completely surrounding the printhead and a lower portion partially surrounding the printhead.
  • the envelope has at least one opening arranged along its lower portion, the upper portion of the envelope completely surrounding the print head.
  • the casing may additionally have a plurality of openings for passage of means for assembling the print head or a supply of molten material communicating with the print head, for example with a channel printhead material.
  • This design is particularly suitable for a printhead placed inside a casing or a larger duct, the casing being able to partially serve as an envelope and/or to contain the insulating material on certain portions.
  • the device comprises a system for conveying at least one gaseous fluid at a controlled temperature in the environment of the outlet of the nozzle, the conveying system comprising at least one conduit for the circulation of the gaseous fluid, the print head being placed in said duct, and in which the thermal insulation system is configured to allow the flow of fluid in the duct.
  • a routing system brings a temperature-controlled gaseous fluid to the level of the nozzle outlet, making it possible to regulate the temperature in the direct or extended environment of the stream of molten material as soon as it leaves the nozzle. nozzle.
  • This conveying system can be combined with one or more other conveying systems making it possible to mix gaseous fluid at a controlled temperature at the outlet of the nozzle, and be included in a set of means for controlling the temperature at the outlet of the nozzle.
  • the routing system may additionally comprise a fan generating the flow of the gaseous fluid and/or be connected to a gaseous fluid inlet.
  • this routing system can be used to complete a more global regulation system, the routing system allowing precise temperature adjustment at the nozzle outlet.
  • the circulation duct may correspond to a variety of sealed hollow elements whose internal shape defines the circulation of the gaseous fluid, for example a rigid or semi-rigid pipe or even a hollow metal casing. It is additionally understood that the positioning of the print head in the duct makes it possible to facilitate the design of a duct whose extraction orifice is closest to the nozzle, so that the stream of molten material is in a temperature-controlled environment right out of the nozzle.
  • the thermal insulation system is thus configured to allow the flow of the gaseous fluid in the conduit around the printhead, preferably in the direction of the extraction orifice and the outlet of the nozzle, while minimizing the heat exchanges between the gaseous fluid allowing regulation of the temperature of the printing environment and the printing head allowing regulation of the temperature of the stream of molten material.
  • the routing system comprises a system for heating the gaseous fluid flowing in the conduit.
  • the heating system makes it possible to regulate the temperature of the gaseous fluid so that the gaseous fluid reaches the controlled temperature.
  • the gaseous fluid enters, for example, the conveying system at an initial temperature, for example the temperature outside the printing environment or any other temperature depending on the conditioning of the gaseous fluid, before being heated by the heating system up to the controlled temperature.
  • the heating system may include one or more resistors arranged inside or outside the duct, powered and optionally controlled jointly with the printing device.
  • the heating system may also comprise at least one water channel supplied externally to the printing device, for example via two hot and cold water inlets, the heating system being able to be controlled by changing the supply circuit in hot water and cold water and the gaseous fluid being heated by heat exchange with the water channel disposed in or around the conduit.
  • the heating system is placed in the conduit around the thermal insulation system.
  • gaseous fluid circulates in the second pipe along the print head and is heated just before reaching the nozzle outlet by the heating system.
  • the casing includes means for assembling the heating system.
  • This design facilitates the arrangement of the heating system, the print head and the insulation system inside the second duct by limiting the means separate assembly required.
  • the thermal insulation system and the routing system can thus be designed together with respect to a specific printhead.
  • the shape of the envelope described above can be specifically adapted to the routing system, so that the envelope is contained in the duct and allows the circulation of air around the printing head of so as to direct the gaseous fluid towards the extraction orifice, optionally passing through the heating system.
  • the device comprises a material storage hopper in granules and a heating extraction system making it possible to convey the material from the hopper to the print head by melting the material.
  • the heating extraction system and the storage hopper are suitable for storing and conveying granules so that the print head is supplied with molten material.
  • the material can also be stored in other forms, for example in wire form, the extraction system and the storage means being suitable for storing and supplying the selected form of material.
  • the print head comprises at least one heating cartridge.
  • the at least one heating cartridge makes it possible to maintain the molten material inside the print head under a controlled temperature.
  • the printhead can include a variety of internal heating means, including the aforementioned heating cartridges, so as to form a hot block surrounding a channel for conveying molten material to the nozzle and allowing the ejection of molten material at a controlled temperature.
  • the thermal insulation system then makes it possible to avoid any heat loss or thermal disturbance of the hot block, so that the molten material in the transport channel and by extension the material ejected by the nozzle are maintained at a precise temperature. .
  • a second aspect of the present invention relates to a three-dimensional printing machine, which comprises a three-dimensional printing device according to the first aspect of the invention.
  • the three-dimensional printing device comprising the thermal insulation system is integrated into the three-dimensional printing machine so as to allow the deposit of a stream of molten material in the three-dimensional printing machine.
  • the printing machine may comprise a receiving plate comprising a platen for receiving the molten material arranged to be placed in the path of the stream of molten material.
  • the machine may also include a variety of means for moving and/or controlling movement of the platen and/or print head relative to each other, and be configured to transmit power and/or operating information relating to the three-dimensional printing device and/or the reception plate, for example information relating to the internal heating means of the print head or the gaseous fluid conveying system.
  • the printing device and the machine can be designed jointly so as to facilitate the integration of the printing device with the machine, or even separately allowing assembly according to standardized characteristics.
  • the Applicant proposes a three-dimensional printing device minimizing heat exchanges at the level of the print head.
  • Figure 1 shows a schematic perspective view of a downstream part of a temperature-stabilized three-dimensional printing device according to an embodiment of the present invention, said downstream part having the print head of said device.
  • Figure 2 shows a schematic view according to a first sectional plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 3 shows a schematic view according to a second section plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 4 shows a schematic view according to a third sectional plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 5 shows a schematic view according to a fourth sectional plane of the downstream part of the device according to Figure 1.
  • Figure 6 shows a schematic overall view and profile of a three-dimensional printing device comprising said downstream part according to Figures 1 to 5 comprising a storage hopper and a meltable material heating extraction system.
  • Figure 7 shows a schematic view of a three-dimensional printing machine on which will be implemented a three-dimensional printing device according to Figure 6.
  • the printhead represents a boundary between a channel of molten material inside which the material must be heated to be kept molten and a printing environment in which the material cools progressively, the heating as well as the cooling being preferably controlled for better control of the printing processes.
  • One of the objectives of the present invention consists in stabilizing one and/or the other of these temperature controls.
  • FIG. 6 illustrates a three-dimensional printing device 1000 developed within the framework of the present invention, which will be implemented on a three-dimensional printing machine 2000 illustrated in FIG. 7, for the three-dimensional printing of a part.
  • the three-dimensional printing device and the three-dimensional printing machine are respectively named in the remainder of the description “device 1000” and “machine 2000”.
  • the device 1000 is not represented on the machine 2000 for a better reading of this FIG. 7.
  • the machine 2000 comprises a reception plate 3000 comprising a plate 3010 configured to receive the molten material in layers or strata during the printing of the part.
  • Machine 2000 comprises a carriage 2010 on which the device 1000 will be removably mounted.
  • the receiving plate 3000 and/or the plate 3010 and/or the carriage 2010 can be articulated so as to be able to be moved inside the machine 2000 or even one screw- vis-a-vis the other according to a plurality of movements, for example according to three axes of translation, according to the shape of the part to be printed in three dimensions.
  • the machine 2000 comprises a first transmission system 2020 making it possible to move the carriage 2010 along the two directions X and Y of the reference X, Y, Z and a second transmission system 2030 making it possible to move the receiving plate 3000 in the direction Z of the X, Y, Z marker.
  • Variants are possible, for example a fixed device 1000, designed specifically and integrated into the machine 2000 or even a removable device 1000 assembled directly on the chassis 2040 of the machine 2000.
  • the removable nature of the device 1000 has the advantage of allowing said device 1000 to be replaced by another having or not having the characteristics which are the subject of the invention, for example for adaptation of the device 1000 to the machine 2000 depending the type of part to be printed and the fusible material used for printing this part.
  • this device 1000 comprises a print head 1100 provided with a nozzle 1110 ejecting molten material from a material channel 1130.
  • the material comes from a material storage hopper 1500 in granules and conveyed to the material channel 1130 of the print head 1100 via a heating extraction system 1600 configured to move the meltable material while melting it.
  • a heating extraction system 1600 comprises for example an endless screw receiving the material coupled to a resistor or any other heating means configured to bring the material to melt.
  • the printhead 1100 also includes internal heating means configured to maintain the molten material inside the material channel 1130 and/or to ensure a precise temperature of the material when it is ejected by the nozzle 1110
  • internal heating means take for example the form of heating cartridges 1120 as illustrated in FIG. It is considered in this description that the printing device 1000 is in a fixed position as illustrated by FIG. 6 and is configured to eject a stream of molten material subjected to gravity and in a vertical manner. We define from this position the two axes Xi and X2 such that:
  • the first axis Xi is perpendicular to the trajectory of the stream of molten material, i.e. horizontal;
  • the second axis X2 is parallel to the trajectory of the stream of molten material, i.e. vertical.
  • the first axis Xi is more precisely positioned so as to intersect the trajectory of the stream of molten material and is located between 1mm and 50mm below the horizontal plane intersecting the nozzle 1110, while the second axis X2 coincides with the trajectory of the trickle of molten material.
  • the axes Xi and X2, in particular the first axis Xi, can also be slightly offset or inclined with respect to their positions as defined in this description without departing from the scope of the invention.
  • the printing device 1000 comprises temperature control means comprising a first and a second systems for conveying a first and a second gaseous fluid in the environment of the outlet of the nozzle 1110.
  • the first routing system comprises a first duct 1210, here a preferably metallic hollow casing, allowing the circulation of a first gaseous fluid as far as a first extraction orifice 1211.
  • the first extraction orifice 1211 is advantageously configured to allow the ejection downstream of the first gaseous fluid along a first trajectory defining the first axis Xi (FIGS. 1 and 5).
  • a first fan 1220 disposed inside the first duct 1210 generates the flow of the first gaseous fluid from a first inlet 1221 (FIG. 4), for example a first inlet 1221 connected to the external environment of the machine 2000.
  • This design makes it possible in particular to generate an air circulation flow at a first temperature corresponding to the temperature of the external environment, but it is of course possible to design a variety first routing systems allowing the ejection of a first gaseous fluid, air or another gas, according to the first trajectory from various upstream sources.
  • the second routing system comprises a second conduit 1310 allowing the circulation of a second gaseous fluid as far as a second extraction orifice 1311 allowing the ejection of the second gaseous fluid according to a second trajectory defining the second axis X2.
  • the second routing system comprises a second fan 1320 disposed inside the second duct 1310 and allowing the circulation of the second gaseous fluid from a second inlet 1321 (FIGS. 2 and 4) connected to the external environment of the machine 2000.
  • the second routing system additionally comprises a heating system 1330 configured to cause the second gaseous fluid to pass from the first temperature to a second temperature. According to the example of FIGS.
  • this heating system 1330 is arranged inside the second duct 1310. Like the first routing system, it is possible to design a variety of second routing systems from various upstream sources, wherein the second gaseous fluid, air or another gas, is conditioned at the first temperature, at the second temperature or at any other temperature, the second delivery system comprising the case where appropriate, the heating system 1330 configured to cause the second fluid to reach the second temperature when it leaves through the second extraction orifice 1311.
  • the mixture of the first gaseous fluid having a first temperature and the second gaseous fluid having a second temperature makes it possible to obtain a gaseous fluid at a controlled temperature lying between the first and the second temperature, according to the flow rate and the respective heat capacity of the first gaseous fluid and the second gaseous fluid.
  • the printing device 1000 can also include a temperature measurement system, for example one or more temperature sensors arranged at the outlet of the nozzle 1110, upstream and/or downstream of the first and/or of the second routing system, making it possible to measure the first temperature of the first gaseous fluid and/or the second temperature of the second gaseous fluid and/or the controlled temperature of the gaseous fluid resulting from the mixing of the first gaseous fluid and the second gaseous fluid.
  • the control means can also be configured, alone or in combination with the temperature measurement system, to manage the temperature of the gaseous fluid.
  • the control means comprise for example an electronic card programmed to control the actuation of the first fan 1220, of the second fan 1320 and of the heating system 1330 according to the three-dimensional printing material used and/or the laying speed of the stream of molten material by the print head 1100 and/or information sent back by the temperature measurement system.
  • the operation of the printing device 1000 can thus be adapted between two manufactures of parts implementing different three-dimensional printing processes or during the same printing process requiring an adaptation of the temperature in the environment of the nozzle outlet.
  • the printhead 1110 is arranged inside the second duct 1310 so that the second trajectory coincides with the trajectory of the stream of molten material, the nozzle 1110 and the second extraction orifice 1311 being aligned along the axis X2.
  • This design makes it possible to mix the first gaseous fluid and the second gaseous fluid as close as possible to the outlet of the nozzle in order to regulate the temperature of the direct environment of the stream of molten material without loss of heat.
  • the device 1000 also comprises a thermal insulation system for the head printing.
  • this insulation system comprises an envelope 1410 partially surrounding the print head 1100.
  • an envelope 1410 is provided made of a metallic material of the aluminum type and making it possible to block the transfers of heat by convection and by radiation between the printhead 1100 and its environment, here the second conduit 1310.
  • an envelope 1410 made of an insulating material making it possible to increase the thermal resistance to the conduction of envelope 1410.
  • This envelope 1410 is divided into an upper portion 1411 completely surrounding the printhead 1100 and a lower portion 1412 partially surrounding the printhead 1100.
  • the upper portion 1411 is designed taking into account possible openings allowing the fixing of the print head 1100 in the device 1000, for example with the second pipe 1310 or with the heating extraction system 1600 (illustrated in FIG. 6), as well as the supply of material from the channel of material 1130 (shown in figure 5).
  • a lower portion 1412 is provided covering the printhead 1100 on the portions most susceptible to heat transfer, in particular to heat transfer by convection.
  • the lower portion 1412 can cover one side (FIG. 2) or several sides (FIG. 4) of the printhead 1100 completely or partially, and has for example a U-shaped cross section.
  • the insulating material can be arranged around the printhead according to the limits of the envelope 1410, so that the envelope 1410 makes it possible to isolate the insulating material and the printhead from the effects of convection and radiation while defining a volume of reception of the insulating material.
  • the casing 1410 can thus be designed so as to ensure the circulation of the second fluid inside the second duct 1310 without the insulating material, in particular a non-rigid material of the mineral fiber type, obstructing the second duct 1310. insulating material is therefore placed around the print head according to the limits established partly by the envelope 1410 and partly by the second conduit 1310, obviously leaving the nozzle 1110 free.
  • This design thus makes it possible to minimize the heat exchanges between the print head 1100 and its environment, here the second conduit 1310. These exchanges make it possible to stabilize both the internal temperature of the material channel 1130 heated by the heating cartridges 1120 ( FIG. 5) and the second temperature of the second gaseous fluid, by extension the temperature of the gaseous fluid leaving the nozzle 1110. Both heating and cooling of the molten material are therefore facilitated.
  • this thermal insulation system can operate according to a design similar to or adapted to a printhead 1100 not contained in the second duct 1310, and therefore be used independently of the means for controlling the temperature of the environment of the net. of molten material. As illustrated in FIGS.
  • the thermal insulation system makes it possible in particular to arrange the heating system 1330 along the casing 1410, and therefore the print head 1100, so that the second gaseous fluid reaches the second temperature as close as possible to the second extraction orifice 1311 while minimizing the respective impact of the second routing system and the print head 1100.
  • the envelope 1410 comprises for example assembly means 1413 of the heating system 1330 facilitating its positioning.
  • the present invention provides a thermal insulation system for the print head making it possible to limit any heat exchange between the latter and its environment, so that the internal and/or external temperature controls at the head printing are simplified.
  • This insulation system is integrated into a printing device which may include all the means allowing the production and the transport of molten material to the nozzle and compatible with a three-dimensional printing machine, such as the 2000 machine. in Figure 7.
  • This thermal insulation system can also be combined with means for controlling the temperature of the environment at the outlet of the nozzle, with fixed operation or adaptable to the specific characteristics of a printing process.
  • the envelope 1410 could be of a different shape and/or even be made of a thermally insulating material.
  • the device 1000 could provide, according to another example, to regulate the temperature in the environment of the outlet of the nozzle 1110 by conveying a gaseous fluid without interfering with the direct environment of the print head 1100, in which case the envelope 1410 nevertheless makes it possible to prevent the heating temperature of said print head 1100 from being influenced and above all to prevent it from disturbing the temperature of the external environment of said print head 1100, in particular the environment of the outlet of the nozzle 1110 or the environment of the plate 3010 of the reception plate 3000 on which the part being printed rests.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1000) d'impression tridimensionnelle comprenant une tête d'impression (1100) munie d'une buse (1110) par laquelle sort un filet de matière en fusion, ledit dispositif (1000) comportant un système d'isolation thermique de ladite tête d'impression.

Description

Description
Titre : Dispositif d’impression tridimensionnelle à température stabilisée de la tête d’impression
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de l’impression tridimensionnelle, aussi appelée fabrication additive.
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d’impression tridimensionnelle permettant de stabiliser la température interne de la tête d’impression et la température externe en sortie de buse. L’invention concerne également une machine d’impression tridimensionnelle comprenant un tel dispositif d’impression.
Par dispositif d’impression tridimensionnelle au sens de la présente invention, on entend dans toute la description qui suit un dispositif comprenant un ensemble de moyens permettant l’acheminement et/ou la génération de matière en fusion jusqu’à une buse éjectant la matière en fusion, par exemple à partir d’un réservoir ou d’une trémie contenant la matière à imprimer.
Un tel dispositif comprend par exemple un système d’extraction chauffant comprenant un conduit d’acheminement de matière connecté au réservoir ou à la trémie, un organe de déplacement de la matière dans le conduit d’acheminement, par exemple une vis d’extraction, un organe de chauffe de la matière pour l’amener en fusion et une tête d’impression munie de la buse.
La présente invention trouvera ainsi de nombreuses applications avantageuses dans le domaine de l’impression tridimensionnelle, et notamment dans l’impression de pièces à base de matériaux nécessitant un contrôle de température précis.
Etat de la technique
Le Demandeur observe que le développement de l’impression tridimensionnelle permet la fabrication d’une variété de pièces, sur des séries de taille limitée mais progressivement croissante au fur et à mesure des progrès technologiques.
La pluralité de matériaux employables, parmi lesquels la résine, les thermoplastiques, la cire, le métal (par exemple l’aluminium, l’acier, le titane, le platine, etc.), le plâtre, les céramiques ou encore le verre, participent de la variété d’objets réalisables.
Les pièces sont réalisées par empilement de couches successives de matière en fusion et refroidissement progressif. Pour réaliser cet empilement, il est connu d’employer des installations ou machines d’impression tridimensionnelle comportant un plateau et une tête d’impression munie d’une buse, la tête d’impression et/ou le plateau étant aptes à se déplacer l’un par rapport à l’autre afin de déposer par couches ou strates sur le plateau un filet de matière en fusion extrait de la buse.
L’empilement des couches nécessitant d’une part que la couche précédente reste au moins partiellement en fusion le temps de recevoir une couche successive pour permettre son adhérence, d’autre part que l’ensemble des couches durcisse suffisamment pour assurer l’intégrité de la pièce en cours d’impression soumise à son propre poids et potentiellement à une pluralité de déplacements, les procédés d’impression tridimensionnelle doivent tenir compte de la vitesse de refroidissement de la matière en fusion et du changement de ses propriétés physiques. Ces paramètres peuvent varier non seulement selon le matériau sélectionné mais aussi en cours d’impression via des changements de conditions externes et/ou l’apport de chaleur constant résultant de l’approvisionnement de matière en fusion.
Les procédés d’impression tridimensionnelle doivent ainsi chercher à contrôler deux régulations de température contradictoires :
- la chauffe de matière en fusion permettant de maintenir la matière dans un état de fusion jusqu’à la buse et à l’éjecter à la température requise ; et
- le refroidissement de la matière en fusion une fois déposée permettant de durcir la pièce en cours d’impression à la vitesse voulue.
Ces deux contraintes se retrouvent au niveau de la tête d’impression, pouvant mener à des échanges thermiques délétères envers la qualité d’impression et résultant en des pertes d’énergie.
Le Demandeur soumet par conséquent qu’il n’existe à ce jour aucune solution alternative satisfaisante permettant de faciliter l’une et/ou l’autre des régulations de température susnommées.
Résumé de l’invention
La présente invention vise à améliorer la situation actuelle décrite ci-dessus.
La présente invention vise plus particulièrement à remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un dispositif d’impression présentant une meilleure inertie thermique.
A cet effet, l’objet de l’invention concerne dans un premier aspect un dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression munie d’une buse par laquelle sort un filet de matière en fusion. On comprend ici que le filet de matière se dépose usuellement de manière verticale, étant sujet à la gravité. On peut également concevoir un filet de matière se déposant selon une autre trajectoire par éjection à une certaine vitesse selon une direction prédéterminée.
On comprend additionnellement que le dispositif d’impression peut comprendre une variété de moyens permettant l’approvisionnement en matière en fusion de la tête d’impression. De tels moyens seront décrits plus en détail ci-après.
Avantageusement, le dispositif comporte un système d’isolation thermique de la tête d’impression.
L’homme du métier comprend ici que l’isolation thermique de la tête d’impression permet de limiter toute forme d’échange de chaleur entre la tête d’impression et son environnement externe et d’assister une variété de régulations de température à la fois. En effet, la tête d’impression pouvant constituer un bloc chaud comprenant un canal de matière dont l’objectif est de conserver ladite matière à une température donnée pour la maintenir en fusion, l’isolation thermique permet d’éviter la perte de chaleur du bloc chaud et donc du canal de matière tout en limitant le réchauffement de l’environnement de la tête d’impression, cet environnement pouvant être selon la conception l’environnement d’impression tridimensionnelle en général, lequel doit être contrôlé pour le refroidissement de la pièce, ou encore toute forme de système de refroidissement ou de régulation de température à proximité de la tête d’impression et notamment à proximité de la sortie de la buse.
On comprend additionnellement qu’un éventuel échange de chaleur dans le sens inverse réchauffant le bloc chaud plus qu’ initialement paramétré et pouvant impacter le contrôle de la température de la matière en fusion avant son impression est également évité par ce système d’isolation thermique. Plus généralement, le système d’isolation thermique permet d’augmenter l’inertie thermique du bloc chaud et de limiter toute interaction avec des conditions externes potentiellement variables.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le système d’isolation thermique comporte au moins une enveloppe entourant au moins partiellement la tête d’impression.
De préférence, l’enveloppe est constituée d’une paroi métallique, de préférence en des matériaux réfractaires tels que l’inox 304 .
On comprend ici que l’enveloppe permet en premier lieu de limiter les échanges thermiques par convection et/ou rayonnement envers la tête d’impression en brisant tout flux de gaz et en servant d’intermédiaire au rayonnement. Cet objectif pouvant être accompli par une fine épaisseur de matériau non isolant, une variété de matériaux peut être sélectionnée pour réaliser l’enveloppe, notamment un matériau robuste, simple à travailler et économique pour simplifier la conception du dispositif. On peut bien évidemment concevoir également une enveloppe réalisée dans un matériau isolant, par exemple en céramique, l’épaisseur de l’enveloppe étant alors déterminée de manière à tirer profit d’effets de conduction limités à l’intérieur du matériau isolant.
On comprend additionnellement que l’enveloppe entoure partiellement la tête d’impression de façon à limiter les échanges de chaleur tout en permettant la dépose d’un filet de matière en fusion.
Dans un mode de réalisation particulier, le système d’isolation thermique comporte au moins une couche d’au moins un matériau isolant entourant au moins partiellement la tête d’impression.
Selon la conception, la couche de matériau isolant peut venir en remplacement de l’enveloppe parmi une sélection d’une variété de moyens d’isolation thermique ou en complément tirant avantage des particularités spécifiques de l’enveloppe et de la couche. Il est également envisageable que l’enveloppe et la couche soient incarnés par une seule pièce réalisée dans un matériau isolant et remplissant les deux fonctions.
De préférence, l’au moins un matériau isolant est une fibre minérale sélectionnée parmi un ensemble de fibres minérales comprenant :
- une fibre céramique réfractaire de type laine de céramique ;
- une laine de verre ;
- une laine de roche ; et
- une laine de laitier.
D’autres matériaux isolants sont également envisageables tels que les aérogels organiques, les éléments à caisson métalliques (structure aluminium en nid d’abeille), les mousses métalliques ou organiques.
On comprend ici que la couche de matériau isolant permet d’occuper l’environnement de la tête d’impression tout en minimisant les effets de conduction thermique. Bien évidemment, toute forme de matériau isolant et notamment de fibre minérale peut être sélectionnée, principalement sur des critères de conductivité thermique et de simplicité de mise en œuvre. Dans un mode de réalisation combiné avec les modes de réalisation précédents, l’enveloppe est disposée autour de l’au moins une couche du matériau isolant.
On comprend ici que, comme énoncé ci-avant, cette conception permet de tirer avantage d’une part de l’enveloppe permettant de réduire les effets de convection et de rayonnement, d’autre part de la couche de matériau isolant présentant une résistance thermique élevée vis-à- vis des effets de conduction. On comprend additionnellement que l’enveloppe réalisée dans un matériau rigide permet de définir un volume de réception de la couche de matériau isolant, notamment un matériau isolant non rigide et/ou expansif.
De préférence, l’enveloppe comporte une portion supérieure entourant complètement la tête d’impression et une portion inférieure entourant partiellement la tête d’impression.
En d’autres termes, l’enveloppe présente au moins une ouverture disposée selon sa portion inférieure, la portion supérieure de l’enveloppe entourant intégralement la tête d’impression. On comprend ici que l’enveloppe peut additionnellement présenter une pluralité d’ouvertures de passage de moyens d’assemblage de la tête d’impression ou d’un approvisionnement de matière en fusion communiquant avec la tête d’impression, par exemple avec un canal de matière de la tête d’impression.
Cette conception est particulièrement adaptée pour une tête d’impression disposée à l’intérieur d’un carter ou d’un conduit plus grand, le carter pouvant partiellement servir d’enveloppe et/ou contenir le matériau isolant sur certaines portions.
Dans un mode de réalisation spécifique, le dispositif comprend un système d’acheminement d’au moins un fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de la buse, le système d’acheminement comprenant au moins un conduit de circulation du fluide gazeux, la tête d’impression étant placée dans ledit conduit, et dans lequel le système d’isolation thermique est configuré pour permettre l’acheminement du fluide dans le conduit. En d’autres termes, un système d’acheminement amène un fluide gazeux à température contrôlée au niveau de la sortie de la buse, permettant de réguler la température dans l’environnement direct ou élargi du filet de matière en fusion dès sa sortie de la buse. Ce système d’acheminement peut être combiné à un ou plusieurs autres systèmes d’acheminement permettant d’effectuer un mélange de fluide gazeux à température contrôlée en sortie de la buse, et être compris dans un ensemble de moyens de contrôle de la température en sortie de la buse. Le système d’acheminement peut additionnellement comprendre un ventilateur générant le flux du fluide gazeux et/ou être connecté à une arrivée du fluide gazeux.
On comprend que ce système d’acheminement peut servir à compléter un système de régulation plus global, le système d’acheminement permettant un réglage de température précis en sortie de buse.
Le conduit de circulation peut correspondre à une variété d’éléments creux étanches dont la forme interne définit la circulation du fluide gazeux, par exemple un tuyau rigide ou semi- rigide ou encore un carter métallique creux. On comprend additionnellement que le positionnement de la tête d’impression dans le conduit permet de faciliter la conception d’un conduit dont l’orifice d’extraction soit au plus proche de la buse, de sorte que le filet de matière en fusion soit dans un environnement à température contrôlée dès sa sortie de la buse.
Le système d’isolation thermique est ainsi configuré pour permettre l’acheminement du fluide gazeux dans le conduit autour de la tête d’impression, de préférence en direction de l’orifice d’extraction et de la sortie de la buse, tout en minimisant les échanges thermiques entre le fluide gazeux permettant une régulation de la température de l’environnement d’impression et la tête d’impression permettant une régulation de la température du filet de matière en fusion. Dans encore un mode de réalisation, le système d’acheminement comprend un système de chauffe du fluide gazeux circulant dans le conduit.
On comprend ici que le système de chauffe permet de réguler la température du fluide gazeux de sorte que le fluide gazeux atteigne la température contrôlée. Le fluide gazeux entre par exemple dans le système d’acheminement à une température initiale, par exemple la température extérieure à l’environnement d’impression ou toute autre température selon le conditionnement du fluide gazeux, avant d’être chauffé par le système de chauffe jusqu’à la température contrôlée.
Selon la conception, le système de chauffe peut comporter une ou plusieurs résistances disposées à l’intérieur ou à l’extérieur du conduit, alimentées et optionnellement contrôlées de manière conjointe au dispositif d’impression. Le système de chauffe peut également comporter au moins un canal d’eau alimenté de manière externe au dispositif d’impression, par exemple via deux arrivées d’eau chaude et froide, le système de chauffe pouvant être contrôlé par changement du circuit d’alimentation en eau chaude et eau froide et le fluide gazeux étant chauffé par échange de chaleur avec le canal d’eau disposé dans ou autour du conduit.
De préférence, le système de chauffe est placé dans le conduit autour du système d’isolation thermique.
On comprend ici que le fluide gazeux circule dans le second conduit le long de la tête d’impression et est réchauffé juste avant d’atteindre la sortie de la buse par le système de chauffe.
Dans un mode de réalisation additionnel, l’enveloppe comporte des moyens d’assemblage du système de chauffe.
Cette conception permet de faciliter la disposition du système de chauffe, de la tête d’impression et du système d’isolation à l’intérieur du second conduit en limitant les moyens d’assemblage distincts nécessaires. Le système d’isolation thermique et le système d’acheminement peuvent ainsi être conçus de manière conjointe vis-à-vis d’une tête d’impression spécifique.
On comprend additionnellement que la forme de l’enveloppe décrite ci-avant peut être spécifiquement adaptée au système d’acheminement, de sorte que l’enveloppe soit contenue dans le conduit et permette la circulation d’air autour de la tête d’impression de manière à diriger le fluide gazeux vers l’orifice d’extraction, en passant optionnellement par le système de chauffe.
Dans un mode de mise en œuvre, le dispositif comprend une trémie de stockage de matière en granulés et un système d’extraction chauffant permettant d’acheminer la matière de la trémie à la tête d’impression en faisant fondre la matière.
L’homme du métier comprend ici que le système d’extraction chauffant et la trémie de stockage sont adaptés au stockage et à l’acheminement de granulés de sorte que la tête d’impression soit approvisionnée en matière en fusion.
Bien évidemment, la matière peut également être stockée sous d’autres formes, par exemple sous forme fïlaire, le système d’extraction et les moyens de stockage étant adaptés au stockage et à l’approvisionnement de la forme de matière sélectionnée.
Dans un mode de mise en œuvre particulier, la tête d’impression comprend au moins une cartouche de chauffe.
On comprend ici que l’au moins une cartouche de chauffe permet de maintenir la matière en fusion à l’intérieur de la tête d’impression sous une température contrôlée. Bien évidemment, la tête d’impression peut comprendre une variété de moyens de chauffe interne, dont les cartouches de chauffe susmentionnées, de manière à former un bloc chaud entourant un canal d’acheminement de matière en fusion vers la buse et permettant l’éjection de matière en fusion à une température contrôlée. Le système d’isolation thermique permet alors d’éviter toute perte de chaleur ou perturbation thermique du bloc chaud, de sorte que la matière en fusion dans le canal d’acheminement et par extension la matière éjectée par la buse soient maintenues à une température précise.
Un second aspect de la présente invention concerne une machine d’impression tridimensionnelle, laquelle comprend un dispositif d’impression tridimensionnelle selon le premier aspect de l’invention.
On comprend ici que le dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant le système d’isolation thermique est intégré à la machine d’impression tridimensionnelle de manière à permettre la dépose d’un filet de matière en fusion dans la machine d’impression tridimensionnelle .
La machine d’impression peut comprendre un plateau de réception comportant une platine de réception de la matière en fusion agencée pour être disposée dans la trajectoire du filet de matière en fusion. La machine peut également comprendre une variété de moyens permettant le déplacement et/ou la commande du déplacement de la platine et/ou de la tête d’impression l’un par rapport à l’autre, et être configurée pour transmettre de l’énergie et/ou des informations de fonctionnement envers le dispositif d’impression tridimensionnelle et/ou le plateau de réception, par exemple des informations envers les moyens de chauffe interne de la tête d’impression ou le système d’acheminement de fluide gazeux.
Le dispositif d’impression et la machine peuvent être conçus de manière conjointe de sorte à faciliter l’intégration du dispositif d’impression avec la machine, ou encore de manière séparée permettant un assemblage selon des caractéristiques standardisées.
Ainsi, par les différentes caractéristiques techniques fonctionnelles et structurelles ci-dessus, le Demandeur propose un dispositif d’impression tridimensionnelle minimisant les échanges thermiques au niveau de la tête d’impression.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-dessous en référence aux figures 1 à 7 annexées illustrant un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
[Fig. 1] La figure 1 représente une vue schématique en perspective d’une partie aval d’un dispositif d’impression tridimensionnelle à température stabilisée selon un exemple de réalisation de la présente invention, ladite partie aval disposant de la tête d’impression dudit dispositif.
[Fig. 2] La figure 2 représente une vue schématique selon un premier plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1.
[Fig. 3] La figure 3 représente une vue schématique selon un deuxième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1.
[Fig. 4] La figure 4 représente une vue schématique selon un troisième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1.
[Fig. 5] La figure 5 représente une vue schématique selon un quatrième plan de coupe de la partie aval du dispositif conforme à la figure 1. [Fig. 6] La figure 6 représente une vue schématique d’ensemble et de profil d’un dispositif d’impression tridimensionnelle comprenant ladite partie aval conforme aux figures 1 à 5 comprenant une trémie de stockage et un système d’extraction chauffant de matière fusible. [Fig. 7] La figure 7 représente une vue schématique d’une machine d’impression tridimensionnelle sur laquelle sera mis en œuvre un dispositif d’impression tridimensionnelle conforme à la figure 6.
Description détaillée
La présente invention va maintenant être décrite dans ce qui va suivre en référence conjointement aux figures 1 à 7 annexées à la description. Des mêmes éléments sont identifiés avec des mêmes signes de référence tout au long de la description qui va suivre.
Comme indiqué dans le préambule de la description, la tête d’impression représente une frontière entre un canal de matière en fusion à l’intérieur duquel la matière doit être chauffée pour être maintenue en fusion et un environnement d’impression dans lequel la matière refroidit progressivement, la chauffe comme le refroidissement étant de préférence contrôlés pour une meilleure maîtrise des procédés d’impression.
Un des objectifs de la présente invention consiste à stabiliser l’un et/ou l’autre de ces contrôles de température.
Ceci est rendu possible dans l’exemple décrit ci-après, lequel considère un dispositif d’impression tridimensionnelle configuré pour réguler la température de l’environnement de sortie de la buse d’impression et pour réguler la température de la tête d’impression, sans influence de Fun sur l’autre.
On comprendra ici que cet exemple n’est pas limitatif, d’autres exemples de mise en œuvre restant sous le couvert de l’invention pouvant être envisagés d’atteindre également cet objectif.
La figure 6 illustre un dispositif d’impression tridimensionnelle 1000 développé dans le cadre de la présente invention, lequel sera mis en œuvre sur une machine d’impression tridimensionnelle 2000 illustrée en figure 7, pour l’impression tridimensionnelle d’une pièce. Le dispositif d’impression tridimensionnelle et la machine d’impression tridimensionnelle sont respectivement nommés dans la suite de la description « dispositif 1000 » et « machine 2000 ». Sur la figure 7, le dispositif 1000 n’est pas représenté sur la machine 2000 pour une meilleure lecture de cette figure 7. La machine 2000 comporte un plateau de réception 3000 comprenant une platine 3010 configurée pour recevoir par couches ou strates la matière en fusion durant l’impression de la pièce. La machine 2000 comporte un chariot 2010 sur lequel sera monté de manière amovible le dispositif 1000. Le plateau de réception 3000 et/ou la platine 3010 et/ou le chariot 2010 peuvent être articulés de manière à pouvoir être déplacés à l’intérieur de la machine 2000 ou encore l’un vis-à-vis de l’autre selon une pluralité de mouvements, par exemple selon trois axes de translation, selon la forme de la pièce à imprimer en tri-dimensions. Sur l’exemple de la figure 7, la machine 2000 comprend un premier système de transmission 2020 permettant de déplacer le chariot 2010 selon les deux directions X et Y du repère X, Y, Z et un second système de transmission 2030 permettant de déplacer le plateau de réception 3000 selon la direction Z du repère X, Y, Z. Des variantes sont envisageables, par exemple un dispositif 1000 fixe, conçu spécifiquement et de manière intégrée à la machine 2000 ou encore un dispositif 1000 amovible et assemblé directement sur le châssis 2040 de la machine 2000. Le caractère amovible du dispositif 1000 présente pour avantage de permettre le remplacement dudit dispositif 1000 par un autre présentant ou non les caractéristiques objets de l’invention, par exemple pour une adaptation du dispositif 1000 sur la machine 2000 en fonction du type de pièce à imprimer et de la matière fusible employé pour l’impression de cette pièce.
Selon l’exemple des figures 1 à 6, ce dispositif 1000 comporte une tête d’impression 1100 munie d’une buse 1110 éjectant de la matière en fusion à partir d’un canal de matière 1130. Comme illustré dans l’exemple de la figure 6, la matière est issue d’une trémie 1500 de stockage de matière en granulés et acheminée jusqu’au canal de matière 1130 de la tête d’impression 1100 via un système d’extraction chauffant 1600 configuré pour déplacer la matière fusible tout en la faisant fondre. Un tel système d’extraction chauffant 1600 comporte par exemple une vis sans fin recevant la matière couplée à une résistance ou tout autre moyen de chauffe configuré pour amener la matière en fusion. Bien évidemment, il est possible d’envisager une variété de moyens de stockage et d’acheminement de la matière raccordés à la tête d’impression 1100, par exemple spécifiques au matériau considéré nécessitant une chauffe ou un stockage particulier, ou encore spécifiques au conditionnement de la matière, laquelle peut également être obtenue sous forme fïlaire ou sous toute autre forme appropriée à l’impression tridimensionnelle.
Optionnellement, la tête d’impression 1100 comprend également des moyens de chauffe internes configurés pour maintenir la matière en fusion à l’intérieur du canal de matière 1130 et/ou pour assurer une température précise de la matière lors de son éjection par la buse 1110. De tels moyens de chauffe interne prennent par exemple la forme de cartouches de chauffe 1120 telles qu’illustrées dans la figure 5. On considère dans cette description que le dispositif d’impression 1000 se trouve dans une position fixe telle qu’illustrée par la figure 6 et est configuré pour éjecter un filet de matière en fusion soumis à la gravité et de manière verticale. On définit à partir de cette position les deux axes Xi et X2 tels que :
- le premier axe Xi est perpendiculaire à la trajectoire du filet de matière en fusion, c’est-à- dire horizontal ; et
- le second axe X2 est parallèle à la trajectoire du filet de matière en fusion, c’est-à-dire vertical.
Optionnellement, le premier axe Xi est plus précisément positionné de manière à intersecter la trajectoire du filet de matière en fusion et se situe entre 1mm et 50mm sous le plan horizontal intersectant la buse 1110, tandis que le second axe X2 est confondu avec la trajectoire du filet de matière en fusion. Les axes Xi et X2, en particulier le premier axe Xi, peuvent également être légèrement désaxés ou inclinés par rapport à leurs positions telles que définies dans cette description sans sortir du cadre de l’invention.
On remarquera que, le filet de matière étant nécessairement éjecté par la buse 1110 à une certaine vitesse, sa trajectoire initiale à la sortie de la buse 1110 suit tout changement éventuel d’orientation de la tête d’impression 1100. Il est par conséquent possible de définir de manière similaire les axes Xi et X2 vis-à-vis de la trajectoire initiale du filet de matière en fusion en sortie de la buse 1110 de manière adaptée à l’orientation de la buse 1110.
Selon l’exemple de réalisation considéré dans cet exemple non limitatif, le dispositif d’impression 1000 comporte des moyens de contrôle de la température comprenant un premier et un second systèmes d’acheminement d’un premier et d’un second fluide gazeux dans l’environnement de la sortie de la buse 1110. Comme illustré dans les figures 1, 2, 4 et 5, le premier système d’acheminement comporte un premier conduit 1210, ici un carter creux de préférence métallique, permettant la circulation d’un premier fluide gazeux jusqu’à un premier orifice d’extraction 1211. Le premier orifice d’extraction 1211 est avantageusement configuré pour permetre l’éjection en aval du premier fluide gazeux selon une première trajectoire définissant le premier axe Xi (figures 1 et 5). En amont, un premier ventilateur 1220 disposé à l’intérieur du premier conduit 1210 génère le flux du premier fluide gazeux à partir d’une première entrée 1221 (figure 4), par exemple une première entrée 1221 connectée à l’environnement extérieur de la machine 2000. Cette conception permet en particulier de générer un flux de circulation d’air à une première température correspondant à la température de l’environnement extérieur, mais il est bien évidemment possible de concevoir une variété de premiers systèmes d’acheminement permettant l’éjection d’un premier fluide gazeux, de l’air ou un autre gaz, selon la première trajectoire à partir de diverses sources en amont.
En complément du premier système d’acheminement, le second système d’acheminement comporte un second conduit 1310 permettant la circulation d’un second fluide gazeux jusqu’à un second orifice d’extraction 1311 permettant l’éjection du second fluide gazeux selon une seconde trajectoire définissant le second axe X2. Dans ce même exemple, le second système d’acheminement comporte un second ventilateur 1320 disposé à l’intérieur du second conduit 1310 et permettant la circulation du second fluide gazeux à partir d’une seconde entrée 1321 (figures 2 et 4) connectée à l’environnement extérieur de la machine 2000. Le second système d’acheminement comporte additionnellement un système de chauffe 1330 configuré pour faire passer le second fluide gazeux de la première température à une seconde température. Selon l’exemple des figures 2 à 5, ce système de chauffe 1330 est disposé à l’intérieur du second conduit 1310. A l’instar du premier système d’acheminement, il est possible de concevoir une variété de seconds systèmes d’acheminement à partir de diverses sources en amont, dans lesquelles le second fluide gazeux, de l’air ou un autre gaz, est conditionné à la première température, à la seconde température ou à toute autre température, le second système d’acheminement comportant le cas échéant le système de chauffe 1330 configuré pour faire atteindre la seconde température au second fluide lors de sa sortie par le second orifice d’extraction 1311.
Ainsi, le mélange du premier fluide gazeux présentant une première température et du second fluide gazeux présentant une seconde température permet d’obtenir un fluide gazeux à température contrôlée se trouvant entre la première et la seconde température, selon le débit et la capacité thermique respective du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux. Optionnellement, le dispositif d’impression 1000 peut également comporter un système de mesure de la température, par exemple un ou plusieurs capteurs de température disposés au niveau de la sortie de la buse 1110, en amont et/ou en aval du premier et/ou du second système d’acheminement, permettant de mesurer la première température du premier fluide gazeux et/ou la seconde température du second fluide gazeux et/ou la température contrôlée du fluide gazeux résultant du mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux. Les moyens de contrôle peuvent également être configurés, seuls ou en combinaison du système de mesure de la température, pour gérer la température du fluide gazeux. Les moyens de contrôle comprennent par exemple une carte électronique programmée pour commander l’actionnement du premier ventilateur 1220, du second ventilateur 1320 et du système de chauffe 1330 en fonction du matériau d’impression tridimensionnelle employé et/ou de la vitesse de dépose du filet de matière en fusion par la tête d’impression 1100 et/ou des informations renvoyées par le système de mesure de la température. Le fonctionnement du dispositif d’impression 1000 peut ainsi être adapté entre deux fabrications de pièces mettant en œuvre des procédés d’impression tridimensionnelle différents ou au cours d’un même procédé d’impression nécessitant une adaptation de la température dans l’environnement de la sortie de la buse.
Dans une conception simplifiée, la tête d’impression 1110 est disposée à l’intérieur du second conduit 1310 de sorte que la seconde trajectoire soit confondue avec la trajectoire du filet de matière en fusion, la buse 1110 et le second orifice d’extraction 1311 étant alignés selon l’axe X2. Cette conception permet d’effectuer le mélange du premier fluide gazeux et du second fluide gazeux au plus proche de la sortie de la buse afin de réguler la température de l’environnement direct du filet de matière en fusion sans déperdition de chaleur.
Dans une conception conjointe aux moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion, et en accord avec le concept sous-jacent de l’invention, le dispositif 1000 comporte également un système d’isolation thermique de la tête d’impression. Selon l’exemple des figures 2 à 4, ce système d’isolation comprend une enveloppe 1410 entourant partiellement la tête d’impression 1100. On prévoit dans cet exemple une enveloppe 1410 réalisée dans un matériau métallique de type aluminium et permettant de bloquer les transferts de chaleur par convection et par rayonnement entre la tête d’impression 1100 et son environnement, ici le second conduit 1310. Bien évidemment, on peut également concevoir une enveloppe 1410 réalisée dans un matériau isolant permettant d’augmenter la résistance thermique à la conduction de l’enveloppe 1410.
Cette enveloppe 1410 est divisée en une portion supérieure 1411 entourant complètement la tête d’impression 1100 et une portion inférieure 1412 entourant partiellement la tête d’impression 1100. Comme illustré par la figure 4, la portion supérieure 1411 est conçue en tenant compte d’éventuelles ouvertures permettant la fixation de la tête d’impression 1100 dans le dispositif 1000, par exemple avec le second conduit 1310 ou avec le système d’extraction chauffant 1600 (illustré figure 6), ainsi que de l’approvisionnement en matière du canal de matière 1130 (illustré figure 5).
Dans ce même exemple, on prévoit une portion inférieure 1412 recouvrant la tête d’impression 1100 sur les portions les plus susceptibles aux transferts de chaleur, notamment aux transferts de chaleur par convection. La portion inférieure 1412 peut recouvrir un côté (figure 2) ou plusieurs côtés (figure 4) de la tête d’impression 1100 de façon complète ou partielle, et présente par exemple une section transversale en U. Le système d’isolation peut également comporter un matériau isolant (non représenté ici), par exemple une fibre minérale, entourant au moins partiellement la tête d’impression 1100, en complément et/ou en remplacement de l’enveloppe 1410. Il apparaît ainsi que le matériau isolant peut être disposé autour de la tête d’impression selon les limites de l’enveloppe 1410, de sorte que l’enveloppe 1410 permette d’isoler le matériau isolant et la tête d’impression des effets de convection et de rayonnement tout en définissant un volume de réception du matériau isolant. L’enveloppe 1410 peut ainsi être conçue de sorte à assurer la circulation du second fluide à l’intérieur du second conduit 1310 sans que le matériau isolant, notamment un matériau non rigide de type fibre minérale, n’obstrue le second conduit 1310. Le matériau isolant est par conséquent disposé autour de la tête d’impression selon les limites établies en partie par l’enveloppe 1410 et en partie par le second conduit 1310, en laissant bien évidemment libre la buse 1110.
Cette conception permet ainsi de minimiser les échanges thermiques entre la tête d’impression 1100 et son environnement, ici le second conduit 1310. Ces échanges permettent de stabiliser à la fois la température interne du canal de matière 1130 chauffé par les cartouches de chauffe 1120 (figure 5) et la seconde température du second fluide gazeux, par extension la température du fluide gazeux en sortie de la buse 1110. La chauffe comme le refroidissement de la matière en fusion sont par conséquent facilités. Bien évidemment, ce système d’isolation thermique peut fonctionner selon une conception similaire ou adaptée à une tête d’impression 1100 non contenue dans le second conduit 1310, et donc être employé indépendamment des moyens de contrôle de la température de l’environnement du filet de matière en fusion. Comme illustré dans les figures 2 à 5, le système d’isolation thermique permet en particulier de disposer le système de chauffe 1330 le long de l’enveloppe 1410, et donc de la tête d’impression 1100, de sorte que le second fluide gazeux atteigne la seconde température au plus proche du second orifice d’extraction 1311 en minimisant l’impact respectif du second système d’acheminement et de la tête d’impression 1100. Selon l’exemple des figures 3 et 4, l’enveloppe 1410 comporte par exemple des moyens d’assemblage 1413 du système de chauffe 1330 facilitant son positionnement.
Ainsi, on comprendra que la présente invention prévoit un système d’isolation thermique de la tête d’impression permettant de limiter tout échange thermique entre celle-ci et son environnement, de sorte que les contrôles de température interne et/ou externe à la tête d’impression soient simplifiés. Ce système d’isolation est intégré à un dispositif d’impression pouvant comporter l’ensemble des moyens permettant la production et l’acheminement de matière en fusion jusqu’à la buse et compatible avec une machine d’impression tridimensionnelle, comme la machine 2000 de la figure 7. Ce système d’isolation thermique peut également être combiné à des moyens de contrôle de la température de l’environnement à la sortie de la buse, au fonctionnement fixe ou adaptable aux caractéristiques spécifiques d’un procédé d’impression.
Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu’en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l’objet de l’invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d’ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.
A titre d’exemple, l’enveloppe 1410 pourrait être de forme différente et/ou encore être dans un matériau isolant thermique. Le dispositif 1000 pourrait prévoir, selon un autre exemple, de réguler la température dans l’environnement de la sortie de la buse 1110 en acheminant un fluide gazeux sans interférer sur l’environnement direct de la tête d’impression 1100, dans quel cas l’enveloppe 1410 permet malgré tout d’éviter que la température de chauffe de ladite tête d’impression 1100 ne soit influencée et surtout d’éviter que celle-ci ne perturbe la température de l’environnement externe de ladite tête d’impression 1100, notamment l’environnement de la sortie de la buse 1110 ou l’environnement de la platine 3010 du plateau de réception 3000 sur laquelle repose la pièce en cours d’impression.
Il devra également être observé que les signes de références mis entre parenthèses dans les revendications qui suivent ne présentent en aucun cas un caractère limitatif ; ces signes ont pour seul but d’améliorer l’intelligibilité et la compréhension des revendications qui suivent ainsi que la portée de la protection recherchée.

Claims

Revendications
1. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle comprenant une tête d’impression (1100) munie d’une buse (1110) par laquelle sort un filet de matière en fusion et un système d’isolation thermique de ladite tête d’impression, caractérisé en ce que ledit dispositif (1000) comprend un système d’acheminement d’au moins un fluide gazeux à une température contrôlée dans l’environnement de la sortie de ladite buse (1110), ledit système d’acheminement comprenant un conduit (1310) de circulation dudit fluide gazeux, ladite tête d’impression (1100) étant placée dans ledit conduit (1310), ledit système d’isolation thermique étant configuré pour permettre l’acheminement dudit fluide dans ledit conduit (1310).
2. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 1, dans lequel ledit système d’isolation thermique comporte au moins une enveloppe (1410) entourant au moins partiellement ladite tête d’impression (1100).
3. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 2, dans lequel ladite enveloppe (1410) est constituée d’une paroi métallique, de préférence en des matériaux réfractaires tels que l’inox 304.
4. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit système d’isolation thermique comporte au moins une couche d’au moins un matériau isolant entourant au moins partiellement ladite tête d’impression (1100).
5. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 4, dans lequel ledit au moins un matériau isolant est une fibre minérale sélectionnée parmi un ensemble de fibres minérales comprenant :
- une fibre céramique réfractaire de type laine de céramique ;
- une laine de verre ;
- une laine de roche ; et
- une laine de laitier.
6. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5 en combinaison avec l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel ladite enveloppe (1410) est disposée autour de ladite au moins une couche dudit matériau isolant.
7. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 6, dans lequel ladite enveloppe (1410) comporte une portion supérieure (1411) entourant complètement ladite tête d’impression (1100) et une portion inférieure (1412) entourant partiellement ladite tête d’impression (1100).
8. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit système d’acheminement comprend un système de chauffe (1330) dudit fluide gazeux circulant dans ledit conduit (1310).
9. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 8, dans lequel ledit système de chauffe (1330) est placé dans ledit conduit (1310) autour dudit système d’isolation thermique.
10. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon la revendication 9 en combinaison au moins avec la revendication 2, dans lequel ladite enveloppe (1410) comporte des moyens d’assemblage (1413) dudit système de chauffe (1330).
11. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, lequel comprend une trémie (1500) de stockage de matière en granulés et un système d’extraction chauffant (1600) permettant d’acheminer ladite matière de ladite trémie (1500) à ladite tête d’impression (1100) en faisant fondre ladite matière.
12. Dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel ladite tête d’impression (1100) comprend au moins une cartouche de chauffe (1120).
13. Machine (2000) d’impression tridimensionnelle, laquelle comprend un dispositif (1000) d’impression tridimensionnelle selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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